金刚石键合技术可以改善量子和传统电子学

人造金刚石耐用、惰性、刚性、导热且化学性能良好，是量子和传统电子产品的优良材料。但有一个问题。钻石只喜欢钻石

它是同质外延的，这意味着它只生长在其他钻石上，将钻石集成到量子或传统计算机、量子传感器、手机或其他设备中意味着牺牲钻石的全部潜力或使用大块昂贵的珍贵材料

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）助理教授Alex High说：“就其材料特性而言，钻石在电子领域是独一无二的，它具有宽带隙、最佳导热性和出色的介电强度，在量子技术领域，它拥有氮空位中心，这是室温下量子传感的金标准。”。“但作为一个平台，它实际上非常可怕。”

芝加哥大学PME高级实验室和阿贡国家实验室最近在《自然通讯》上发表的一篇论文通过创造一种将钻石直接结合到易于与量子或传统电子设备集成的材料上的新方法，解决了研究钻石的研究人员面临的一个主要障碍

“我们对金刚石和载体基板进行表面处理，使它们彼此非常有吸引力。通过确保我们具有原始的表面粗糙度，这两个非常平坦的表面将结合在一起，”第一作者郭兴汉说，他在春季从芝加哥大学PME获得了博士学位。

该团队没有使用通常用于研究量子量子位的几百微米厚的块状钻石，而是结合了薄至100纳米的晶体膜，同时仍然保持适用于高级量子应用的自旋相干性

完美缺陷

与珠宝商不同，量子研究人员更喜欢有轻微缺陷的钻石。通过精确设计晶格中的缺陷，研究人员创造了耐用的量子比特，是量子计算、量子传感和其他应用的理想选择

“钻石是一种宽带隙材料。它是惰性的。实际上，它表现得非常好，具有很好的热和电子性能，”论文合著者F.Joseph Heremans说，他与芝加哥大学PME和阿贡国家实验室有双重任命。“它的原始物理性质标记了许多对许多不同领域有益的标记。到目前为止，它很难与不同的材料集成。”

然而，由于薄金刚石膜以前很难直接集成到设备中，这需要更大但仍然微观的材料块。论文合著者、芝加哥大学工程系四年级学生Avery Linder将用这些钻石构建敏感的量子器件比作用整块切达干酪制作一个烤奶酪三明治

芝加哥大学PME助理教授Peter Maurer是该论文的合著者，他从事量子生物传感工作，利用革命性的量子技术，在微观和纳米尺度上对基本生物过程的工作进行更好、更准确的测量

Maurer说：“尽管我们已经克服了将完整的生物靶标与基于钻石的量子传感器连接的许多挑战，但它们在不损失读出效率的情况下集成到商业显微镜或诊断设备等实际测量设备中仍然是一个突出的挑战。”

“Alex的实验室领导的这项关于金刚石膜结合的新工作已经解决了许多这些问题，并使我们更接近应用。”

粘性金刚石

在金刚石中，每个碳原子与其他四个碳原子共享电子。这些电子共享键，称为共价键，创造了宝石坚硬耐用的内部结构

但如果附近没有其他碳原子共享电子，这会在寻找伴侣的孤独原子上产生所谓的“悬空键”。创造一个充满这些悬空键的钻石表面，使该团队能够将纳米级钻石晶片直接粘合到其他表面

“你几乎可以把它想象成一个粘性表面，因为它想附着在其他东西上，”Linder说。“所以基本上，我们所做的就是创造粘性表面并将它们放在一起。”

研究人员已经为这一过程申请了专利，并通过芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心将其商业化

“这项新技术有可能极大地影响我们进行量子甚至手机或计算机制造的方式，”Linder说

High将新的钻石技术与多年来互补金属氧化物半导体（CMOS）的进步进行了比较，从20世纪40年代实验室中笨重的单个晶体管到今天充满计算机和手机的强大、微小的集成电路

“我们希望我们能够生成这些薄膜并以可扩展的方式将其集成，从而为基于钻石的量子技术带来CMOS式的革命，”他说 More information: Xinghan Guo et al, Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53150-3

Journal information: Nature Communications